План-конспект урока физики по теме «силы трения»

Трение скольжения

Рассмотрим различные виды трения. Заставим брусок скользить по поверхности стола, действуя на него горизонтально направленной силой.

Сила трения скольжения возникает при скольжении одного тела по поверхности другого.

Для измерения этой силы воспользуется динамометром. Если перемещать тело равномерно, то сила упругости пружины динамометра (то есть показания прибора) будет равняться силе трения скольжения, действующей на брусок со стороны стола.

Силу трения можно увеличить, положив на брусок нагрузку (например, гирю или другой брусок).

Рис 3. Измерение силы трения

Оказывается, что силу трения скольжения можно изменить, изменив материал трущихся поверхностей или способ их обработки (шлифовка, полировка, или, наоборот, создание искусственной шероховатости, как на подошвах спортивной обуви или на автомобильных покрышках). Например, положив на стол под бруски наждачную бумагу можно заметить значительное увеличение силы трения.

Итак, сила трения скольжения зависит от:

  • нагрузки;
  • качества обработки поверхностей взаимодействующих тел.

Научное обоснование

Для того чтобы передвинуть шкаф, необходимо приложить к нему силу, которая превзойдет трение. То есть до тех пор, пока применяемые усилия меньше показателя силы трения, мебель останется на месте. Помимо указанных факторов, есть еще сила реакции опоры, которая направленна перпендикулярно плоскости. Она зависит от материала, из которого сделан пол (здесь задействована также сила упругости). Также существует коэффициент трения, зависящий от того, из чего состоят обе поверхности, взаимодействующие друг с другом. Поэтому сила трения, действующая на шкаф, равняется коэффициенту трения, который умножается на силу реакции опоры (поверхности).

Задачи

Решение первой задачи

Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

$$m \vec a = \vec F_{тр} + m \vec g + \vec N + \vec F$$

И в проекциях на оси:

Ох: $ma =F – F_{тр} – mgcos \varphi$ – (1)

Оу: $N=mgsin \varphi$ – (2)

Подставляя (2) в (1), получим:

$ma =F – \mu mgsin \varphi – mgcos \varphi$, тогда коэффициент трения скольжения будет равен:

$$\mu ={F \over mgsin \varphi} – {a \over gsin \varphi} – ctg \varphi = 0,87$$.

Решение второй задачи

Запишем второй закон Ньютона в векторной форме:

$$m \vec a = \vec F_{тр} + m \vec g + \vec N$$

И в проекциях на оси:

Ох: $ma = F_{тр}$

Оу: $N=mg$

Из прямоугольного треугольника, составленного на вектора силы трения и нормальной реакции опоры, найдем:

$$ctg \varphi = {F_{тр} \over N}$$

Тогда $ma = F_{тр} = Nctg \varphi = mgctg \varphi$. Выразим отсюда $ctg \varphi$:

$ctg \varphi = {a \over g}$, но $a = {v^2 \over R}$, поэтому $ctg \varphi = {v^2 \over Rg} = {100 \over 10g} = 1$. Отсюда следует, что предельный угол равен 45˚.

Что мы узнали?

В ходе урока было установлено, от чего зависит сила трения скольжения и какова ее природы, были рассмотрены законы, характеризующие ее, и расчетные формулы, введены понятие коэффициента трения скольжения и виды трения скольжения. В завершении урока решены несколько задач.

Основные проявления силы трения

Большинство движений и перемещений окружающих нас тел сопровождается трением. Приведем несколько примеров:

  • Лыжники и сноубордисты, конечно, стремительно скользят по снегу, спускаясь с горы, но останавливаются довольно быстро на горизонтальной поверхности;
  • Мы держим предметы в руках и удерживаемся от падения при ходьбе благодаря силе трения.
  • Колесный транспорт прекращает движение после остановки двигателя как помощью тормозов, так и без их помощи. С тормозами, конечно, тормозной путь будет меньше, но в обоих случаях причина остановки — трение колес о землю;
  • Маятники часов, и подвесных, и механических, остановятся через некоторое время без “подзаводки”;
  • Гвозди скрепляют предметы друг с другом за счет силы трения;
  • Устойчивость предметов стоящих у нас на полу и на столах обеспечивается силой трения;
  • Для увеличения кпд двигателей автомобилей в качестве смазки применяется специальное масло, которое уменьшает силу трения между поршнями и стенками цилиндров;
  • Скрипачи и гитаристы извлекают звук из своих инструментов тоже благодаря трению.

Рис. 1. Примеры проявления силы трения.

Если тело движется в жидкости или газе, то сопротивление, которое оно испытывает, называют вязким трением. Причина возникновения этой силы трения заключается в столкновениях с частицами жидкостей и газов при его движении. От удара одной молекулы сопротивления, конечно, не возникнет, но поскольку число молекул очень велико, то суммарное воздействие приводит к появлению силы вязкого трения.

Управление величиной силы трения

Очень часто приходится рассматривать вопрос об увеличении или об уменьшении трения в тех случаях, когда оно полезно или, наоборот, вредно.

Рассмотрим различные способы изменения величины силы трения, опираясь на известные пословицы и поговорки. Баба с воза – кобыле легче: если уменьшить величину нагрузки, то сила трения станет меньше.

Рис 6. «Баба с воза – кобыле легче»

Готовь сани летом, а телегу зимой: в данном случае идет речь о замене трения скольжения на трение качения.

Плуг от работы блестит: здесь можно вспомнить, что при скольжении по менее шероховатой (блестящей) поверхности сила трения меньше.

Не подмажешь – не поедешь: хотя эту ситуацию мы еще не рассматривали, но вы знаете, что и в быту, и в технике для уменьшения трения очень часто используются различные смазочные материалы. Слой жидкой смазки, располагаясь между трущимися поверхностями, значительно уменьшает силу трения. Именно об этом и говорится в данной поговорке.

Рис 7. «Не подмажешь – не поедешь»

Итак, подводя итоги, можно сказать, что величина силы трения зависит от:

  • вида трения (трение скольжения или качения),
  • нагрузки,
  • качества обработки поверхностей,
  • использования смазочных материалов.

Теперь, когда вы изучили свойства силы трения, попробуйте облегчить задачу своим друзьям или членам семьи в следующей ситуации. Требуется передвинуть из одного угла комнаты в другой тяжелый шкаф. Что вы посоветуете?

Список рекомендованной литературы

  1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 – 9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
  3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «school-collection.edu.ru» (Источник)
  2. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)

Домашнее задание

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов №402, 403, 412, 415, 417 – 420, 427, 428.

Расчет силы трения скольжения

Для расчета силы трения скольжения допускают, что она не зависит от скорости и приблизительно равна наибольшему значению трения покоя. При невысоких скоростях такое приближение позволяет производить расчеты с достаточной точностью. Тогда формула силы трения скольжения запишется так:

$F_{тр} = \mu N$, которая называется формулой Кулона-Амонтона и является математическим выражением третьего закона Кулона. При движении по горизонтальной поверхности $N = mg$

$\mu$ – коэффициент трения скольжения, значение которого примерно равно коэффициенту трения покоя.

В том случае, если тело движется по наклонной поверхности, $F_{тр} = \mu mgsin \varphi$, где $\varphi$ – угол наклона поверхности.

Рис. 3. Силы, действующие на скатывающееся тело.

Когда поверхности сухие, трение называют сухим. Выделяют и другие виды: с сухой смазкой, жидкостное (влажная смазка), смешанное, когда чередуются влажные и сухие участки поверхностей.

Презентация на тему: » Тема урока: Сила трения.. Цель урока: Выяснить: а) причины возникновения силы трения; силы трения; б) возможности ее б) возможности ее уменьшения; уменьшения;» — Транскрипт:

1

Тема урока: Сила трения.

2

Цель урока: Выяснить: а) причины возникновения силы трения; силы трения; б) возможности ее б) возможности ее уменьшения; уменьшения; в) факторы, от которых в) факторы, от которых зависит численное зависит численное значение силы трения. значение силы трения.

3

Основной материал: Сила трения. Сила трения. Обозначение и единицы измерения силы трения. Обозначение и единицы измерения силы трения. Виды силы трения. Виды силы трения. Сравнение сил трения скольжения и трения качения. Сравнение сил трения скольжения и трения качения. Причины возникновения силы трения. Причины возникновения силы трения. Способы уменьшения силы трения. Способы уменьшения силы трения.

4

Сила трения- сила, характеризующая взаимодействие, возникающее в месте соприкосновения тел и препятствующее их относительному движению.

5

Обозначение: F тр Обозначение: F тр Единица измерения: Н (Ньютон).

6

Виды трения трение покоя трение скольжения трение качения

7

Трение покоя

8

Сила трения покоя- сила, препятствующая телам приходить в движение

9

Трение скольжения и трение качения

10

Сила трения скольжения- это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого

11

Сила трения качения- это сила, при которой тело не скользит по поверхности другого тела, а катится

12

Причины возникновения силы трения: Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел; Шероховатость поверхностей соприкасающихся тел; Межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел. Межмолекулярное притяжение, действующее в местах контакта трущихся тел.

13

Трение может быть полезным и вредным

14

Способы уменьшения трения: 1. Введение между трущимися поверхностями смазки поверхностями смазки (например, какого-либо масла). 2. Использование шариковых и роликовых подшипников. и роликовых подшипников. 3. Применение воздушной подушки.

15

F тр max = μ * N, где μ — коэффициент трения скольжения. N- сила реакции опоры.

16

Коэффициенты трения скольжения Бронза по бронзе 0,20 Дерево по дереву (дуб) 0,50 Дерево по сухой земле 0,71 Кирпич по кирпичу 0,65 Сталь по стали 0,13 Сталь по льду 0,02 Уголь по меди 0,25

17

От чего зависит коэффициент трения скольжения? От материала, из которого изготовлены соприкасающиеся тела; От качества обработки; От площади их соприкосновения.

18

Тело равномерно движется по плоскости. Сила его давления на плоскость равна 20 Н, сила трения 5 Н. Определите чему равен коэффициент трения скольжения?

19

На рисунке представлен график зависимости модуля силы трения F от модуля силы нормального давления N. Определите коэффициент трения скольжения.

20

При выполнении лабораторной работы по изучению силы трения скольжения ученик заполнил следующую таблицу: В каком столбце ученик, возможно, ошибся при записи результатов измерений? 2,41,41,20,60,3F тр, Н 86421F норм. давл, Н опыта

21

Решение задач. Почему шины автомобилей делают с рифленой поверхностью? Почему шины автомобилей делают с рифленой поверхностью? Почему некоторые детали механизмов требуют смазки? Почему некоторые детали механизмов требуют смазки? Приведите примеры, показывающие, что трение может быть полезным. Приведите примеры, показывающие, что трение может быть полезным

О какой опасности предупреждает дорожный знак с надписью «Осторожно, листопад!»? О какой опасности предупреждает дорожный знак с надписью «Осторожно, листопад!»?

22

Домашнее задание: Минисочинение- размышление «Что бы произошло со всеми нами, если бы в природе вдруг исчезло трение?»

Катить легче, чем тащить

В повседневной жизни мы пользуемся преимуществами качения практически ежедневно:

  • Тяжелые, крупногабаритные предметы можно легко переместить, подложив под них круглые катки или трубы. Например, чтобы передвигать по асфальту чугунную болванку массой в 1 тонну, нужно приложить силу в 200 кгс — на такое способны только могучие силачи. А на тележке катить эту же болванку сможет даже ребенок, ведь для этого нужна сила не более 10 кгс;
  • Все транспортные средства, перемещающиеся по поверхности земли, используют колеса;
  • Для облегчения подъема тяжелых предметов на высоту с давних времен применяется блок, имеющий форму колеса;
  • Роликовые и шариковые подшипники качения применяются во всех устройствах, когда требуется добиться минимального трения во вращающихся деталях.

Конечно, изобретение колеса — это одно из самых выдающихся достижений человеческой цивилизации.

Рис. 1. Примеры силы трения качения.

Итак, сила трения качения — это сила, возникающая при качении тела по поверхности без проскальзывания. Существенным моментом в этом определении является исключение проскальзывания, потому что при проскальзывании трение возрастает в десятки раз!

Сила трения качения

Рис. 1. R→p{\displaystyle {\vec {R}}_{p}} — реакция опоры; N→{\displaystyle {\vec {N}}} — прижимающая сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения, P→=−F→t{\displaystyle {\vec {P}}=-{\vec {F}}_{t}} — внешняя сила (приложена к центру тела и направлена вправо, на рисунке не показана); сумма векторов сил N→+P→+R→p=.{\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0\,.}

Пусть на тело вращения, располагающееся на опоре, действуют

  • P — внешняя сила, пытающаяся привести тело в состояние качения или поддерживающая качение и направленная вдоль опоры;
  • N — прижимающая сила;
  • Rp{\displaystyle R_{p}} — реакция опоры.

Если векторная сумма этих сил равна нулю

N→+P→+R→p=,{\displaystyle {\vec {N}}+{\vec {P}}+{\vec {R}}_{p}=0,}

то ось симметрии тела движется равномерно и прямолинейно или остаётся неподвижной (см. рис. 1). Вектор F→t=−P→{\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}} определяет силу трения качения, противодействующую движению. Это означает, что прижимающая сила уравновешивается вертикальной составляющей реакции опоры, а внешняя сила уравновешивается горизонтальной составляющей реакции опоры.

Рис. 2. P→{\displaystyle {\vec {P}}} — внешняя сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения; R — радиус тела вращения; F→t=−P→.{\displaystyle {\vec {F}}_{t}=-{\vec {P}}.}

Равномерное качение означает также, что сумма моментов сил относительно произвольной точки равна нулю. Из равновесия относительно оси вращения моментов сил, изображённых на рис. 2 и 3, следует:

Ft⋅R=N⋅f,{\displaystyle F_{t}\cdot R=N\cdot f,}

откуда

Ft=fR⋅N,{\displaystyle F_{t}={\frac {f}{R}}\cdot N,}

где

Ft{\displaystyle F_{t}} — сила трения качения;

f — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины (следует отметить важное отличие от коэффициента трения скольжения, который безразмерен);

R — радиус катящегося тела;

N — прижимающая сила.

Рис. 3. Момент силы трения Mt=N⋅f,{\displaystyle M_{t}=N\cdot f,} действующий против часовой стрелки (относительно мгновенного центра вращения в зоне контакта — правого конца отрезка f) и тормозящий качение тела вправо; N — прижимающая сила; f — коэффициент трения качения, равный длине плеча силы N.

Рис. 4. Коэффициент трения f; R→p=−N→+F→t{\displaystyle {\vec {R}}_{p}=-{\vec {N}}+{\vec {F}}_{t}} — асимметричная реакция опорной поверхности, векторная сумма вертикальной −N→{\displaystyle -{\vec {N}}} и горизонтальной F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} компонент; N→{\displaystyle {\vec {N}}} — прижимающая сила; F→t{\displaystyle {\vec {F}}_{t}} — сила трения качения.

Эта зависимость подтверждается экспериментально. Для малой скорости качения сила трения качения не зависит от величины этой скорости. Когда скорость качения достигает значений, сопоставимых со значениями скорости деформации в материале опоры, трение качения резко возрастает и даже может превысить трение скольжения при аналогичных условиях.

Формула коэффициента пропорциональности μ

В формуле, описывающей процесс приложения F тр. к любому телу, принимает участие коэффициент пропорциональности. Он выражается исключительно числами и почти при любых обстоятельствах меньше единицы. Это величина, зависящая от материала взаимодействующих объектов и от степени обработки их поверхностей.

μ =FN .

Данную формулу можно вывести через массу и ускорение свободного падения:

μ =Fmg, где замена N происходит ранее описанным способом.

Трение повинуется третьему закону Ньютона, так как является разновидностью взаимодействия. А конкретно, если F тр. действует на один из объектов, то такая же в точности сила по модулю, но устремленная противоположно оказывает воздействие и на второе тело. Все силы противодействия возникают как результат молекулярного и атомного взаимодействия трущихся тел.

В заключение приведены слова Шарля Гийом (1861−1938): «Вообразим, что трение может быть устранено совершенно. Тогда никакие тела, будь они величиною с каменную глыбу или малы, как песчинка, никогда не удержатся одно на другом: все будет скользить и катиться, пока не окажется на одном уровне. Не будь трения, Земля представляла бы шар без неровностей, подобно жидкому».

Сопротивление качению на неровной дороге

При движении по неровной дороге сопротивление качению зависит от жесткости
амортизирующего элемента.

Наезд колеса на препятствие

Если на поверхности дороги возникает препятствие высотой (см. рис. слева)
и автомобиль наезжает на него с малой скоростью, то он может остановиться.
На рисунке масса автомобиля представлена грузом , прикрепленным к оси колеса
через пружину . Предположим, что масса жестко соединена с осью.
В этом случае для преодоления препятствия необходима такая вертикальная сила ,
которая способна поднять массу на высоту .
Эта сила может обеспечиваться, например, кинетической энергией автомобиля при движении.
Чтобы автомобиль мог продолжать движение, необходимо, чтобы его кинетическая
энергия была большей, чем требуется для поднятия автомобиля на высоту .
Необходимая величина вертикальной силы зависит от угла наезда α и рассчитывается по формуле

Время подъема определяется скоростью автомобиля, а форма препятствия определяет
процесс изменения скорости и ускорения. На вершине твердого препятствия скорость
массы не будет равна нулю, и колесо отскочит от препятствия. Однако гравитационная сила
остановит массу и вернет ее на землю путем свободного падения. Энергия
горизонтальной силы будет затрачена на перемещение колеса на высоту препятствия,
но при отскоке колеса эта сила уже не действует и, следовательно, не влияет на увеличение
сопротивления качению автомобиля .

Если масса опирается на пружину
и колесо снабжено упругой шиной, то исчезает необходимость подъема колеса и массы
на высоту препятствия .
При благоприятном отношении неподрессоренной массы колеса и подвески к подрессоренной
массе колесо не отскочит от препятствия, и часть энергии,
аккумулированная в сжатой пружине и шине, после преодоления препятствия вернется и
передвинет автомобиль вперед. Однако значительная часть энергии за счет внутреннего трения
в амортизирующих элементах потеряется, превратившись в теплоту. Достаточно мягкая подвеска
колес может уменьшить потери энергии при переезде через неровность.

Ссылка на основную публикацию